ДРЕВЕСИНА

ДРЕВЕСИНА, комплекс образованных камбием тканей, выполняющих проводящие, механич. и запасающие функции. Д. составляет осн. массу ствола, корней и ветвей древесных растений. В стволе Д. располагается между сердцевиной и корой. Д. изучают на поперечном, радиальном и тангенциальном (тангентальном) разрезах (рис. 1).

1.Основные части ствола и его главные разрезы: 1 - поперечный, 2 - радиальный, 3 - тангенциальный.

Анатомические особенности Д. У одних пород (сосна, лиственница, дуб и др.) в Д. различают периферич. светлую зону (заболонь) и центральную тёмную зону (ядро). Такие породы наз. ядровыми. У остальных пород, к-рые наз. безъядровыми, центральная зона не отличается по цвету от заболони. Среди последних выделяют спелодревесные породы (ель, пихта, бук и др.), у к-рых центральная зона в свежесрубленном состоянии имеет меньшую влажность, чем периферическая (см. Спелая древесина), и заболонные (напр., берёза, клён) с примерно одинаковой влажностью по радиусу ствола. Ежегодные приросты Д. характеризуются образованием годичных слоев (см. Годичные кольца), к-рые на поперечном разрезе имеют вид концентрич. окружностей, на радиальном — прямых, а на тангенциальном — изогнутых полос. В пределах каждого слоя у мн. пород заметна светлая, менее плотная (ранняя), и тёмная, более плотная (поздняя), Д. У нек-рых листв. пород на поперечном разрезе видны светлые радиально расположенные сердцевинные лучи; на радиальном разрезе они заметны в виде блестящих (тёмных или светлых) поперечных полосок, а на тангенциальном разрезе — продольных веретенообразных узких полосок, чечевичек. Лиственные породы делятся на кольцесосудистые (дуб, ясень и др.), у к-рых крупные сосуды видны невооружённым глазом на поперечном разрезе и расположены только в ранней зоне годичных слоев, и рассеянно-сосудистые, с крупными (хурма и др.) или мелкими (берёза, осина и др.) сосудами, расположенными равномерно по всему годичному слою. У хвойных пород (сосна, кедр, лиственница, ель) на поперечном разрезе преим. в поздней зоне годичных слоев видны светлые пятнышки — смоляные ходы.

Д. состоит из растит. клеток, стенками к-рых являются две оболочки, имеющие слоистое строение. Осн. структурные элементы стенки — микрофибриллы — субмикроскопич. лентоподобные образования из целлюлозы, расположенные в тонкой, первичной, и толстой трёхслойной, вторичной, оболочке. В наиболее мощном среднем слое вторичной оболочки микрофибриллы ориентированы почти вдоль длинной оси клетки. В промежутках между микрофибриллами содержатся лигнин, вызывающий одревеснение клеточных стенок, гемицеллюлозы и влага. Больше всего лигнина в первичной оболочке и в находящейся между двумя соседними клетками т. н. срединной пластинке. Во вторичной оболочке при переходе от внеш. к внутр. слою содержание лигнина уменьшается, а гемицеллюлоз — увеличивается. Со стороны полости клетки стенку покрывает тонкий бородавчатый слой. В стенках клетки имеются простые или окаймлённые (или полуокаймлённые) поры.

Совокупности прозенхимных (удлинённых, волокноподобных) или паренхимных (коротких цилиндрических, многогранных и т. п.) клеток образуют в Д. проводящие, механич. и запасающие ткани.

У хвойных пород (рис. 2) проводящую функцию выполняют крупнополостные ранние трахеиды, механическую — толстостенные поздние трахеиды, запасающую — паренхимные клетки, к-рые образуют сердцевинные лучи или сопровождают смоляные ходы, а иногда располагаются изолированно. Вертикальные смоляные ходы связаны с горизонтальными смоляными ходами, проходящими в сердцевинных лучах.

2. Схема микроскопического строения древесины сосны: 1 - годичный слой; 2 - сердцевинные лучи; 3 - вертикальный смоляной ход; 4 - ранние трахеиды; 5 - поздняя трахеида; 6 - окаймленная пора; 7 - лучевая трахеида.

У листв. кольцесосудистых (рис. 3) и рассеяннососудистых (рис. 4) пород проводящую функцию выполняют в осн. сосуды, состоящие из члеников с простыми или лестничными перфорациями, а также сосудистые и волокнистые трахеиды; механическую — волокна либриформа и волокнистые трахеиды; запасающую — паренхимные клетки, к-рые образуют преим. горизонтальную систему из узких (однорядных) и широких (многорядных) сердцевинных лучей, а также вертикальную систему из тяжей древесной и веретеновидной паренхимы.

3. Схема микроскопического строения древесины дуба: 1 - годичный слой; 2 - сосуды; 3 - крупный сосуд ранней древесины; 4 - мелкий сосуд поздней древесины; 5 - широкий сердцевинный луч; 6 - узкие сердцевинные лучи; 7 - либриформ.

4. Схема микроскопического строения древесины берёзы: 1 - годичный слой; 2 - сосуды; 3 - сердцевинные лучи; 4 - либриформ; 5 - лестничная перфорация.

Д. широко используется как конструкционный и поделочный материал, а также как сырьё для химич. пром-сти, что определяется комплексом её химич. и физико-механич. свойств.

Химический состав Д. Элементный химич. состав Д. всех пород практически одинаков. Органич. часть абсолютно сухой Д. содержит углерода 49—50%, кислорода 43—44%, водорода ок. 6% и азота 0,1—0,3%. Неорганич. часть (образует золу при сжигании Д.), в к-рую входят кальций, калий, натрий, магний и др. элементы, составляет 0,1—1%. Содержание осн. органич. веществ в оболочках клеток Д. хвойных (числитель) и листв. (знаменатель) пород (в %): целлюлоза (41-58)/(39-47) лигнин (28-34)/(17-27), гемицеллюлозы (15-23)/(20-38) (в т. ч. пентозаны (5-12)/(15-30), гексозаны (9-17)/(до 8)). В состав Д. входят также экстрактивные вещества (танниды, смолы, камедь, эфирные масла и др.).

Физические свойства Д. При воздействии на Д. физич. факторов, не приводящих к изменению её структуры и целостности, проявляются многообразные свойства Д. Важная декор. особенность и диагностич. признак — цвет древесины, определяемый колориметрич. показателями, к-рые изменяются в следующих пределах: цветовой тон 578—585 нм, степень разбавления спектрального цвета белым (чистота цвета) 30—60%, коэфф. отражения (светлота) 20—70% (см. также Декоративная древесина, Текстура древесины). Блеск древесины наблюдается у нек-рых листв. пород, особенно на радиальном разрезе. Макроструктура Д., позволяющая оценить её качество, характеризуется шириной годичных слоев, содержанием поздней Д., равнослойностью, величиной и распределением естеств. неровностей.

Д. содержит свободную (в полостях клеток и межклеточных пространствах) и связанную (в клеточных стенках) воду. Влажность древесины ядра свежесрубленных хвойных деревьев в зависимости от породы и условий произрастания составляет 35—70%, влажность заболони в 2—3 раза больше; у листв. пород различие между влажностью ядра и заболони меньше. По высоте ствола влажность распределена неравномерно, она также подвержена сезонным и суточным изменениям.

Свойства Д. резко изменяются при снижении влажности за предел насыщения клеточных стенок W_п.н, в ср. равный 30%. При выдерживании на воздухе с темп-рой t и относит. влажностью (степенью насыщенности влагой) φ Д. приобретает соответствующую и одинаковую для всех пород равновесную влажность. На диаграмме (рис. 5) показаны зависимости между параметрами воздуха и равновесной влажностью измельчённой Д. При определении равновесной влажности средних и крупных сортиментов учитывают гистерезис сорбции (различие во влажности, достигаемой при высыхании и увлажнении древесины в одинаковых условиях).

5.Диаграмма равновесной влажности древесины.

Уменьшение содержания связанной воды вызывает усушку древесины. Полное удаление связанной воды приводит к сокращению линейных размеров Д. (в тангенциальном направлении на 6—10%, в радиальном направлении на 3—5%, вдоль волокон на 0,1—0,3%) и объёма (на 12—15%). Д. обладает способностью поглощать влагу из окружающего воздуха, что приводит к увеличению содержания связанной воды и разбуханию древесины. Различия в усушке (разбухании) по разным направлениям являются осн. причиной коробления древесины. Усушка или разбухание Д. при неравномерном распределении связанной воды по объёму сортимента вызывает образование внутренних напряжений в древесине. Способность Д. впитывать влагу при контакте с водой определяет водопоглощение древесины.

Плотность древесинного вещества (материала клеточных стенок) не зависит от породы и равна 1530 кг/м³. Плотность древесины в сухом состоянии из-за наличия в ней пустот, заполненных воздухом, для разных пород колеблется в пределах от 100 кг/м³ (бальса) до 1300 кг/м³ (гваякум). С повышением влажности Д. её плотность возрастает. Д. наиболее распространённых отечеств. пород при влажности 12% имеет плотность 400—700 кг/м³.

Д. способна пропускать под давлением жидкости и газы (см. Проницаемость древесины жидкостями и Газопроницаемость древесины).

Сухая Д. обладает сравнительно небольшой теплоёмкостью. Удельная теплоёмкость абсолютно сухой Д. при 0°С для всех пород одинакова и составляет 1,55 кДж/(кг х °С). С повышением влажности, а также темп-ры теплоёмкость Д. возрастает. Теплопроводность Д. зависит от направления теплового потока (наибольшая — вдоль волокон) и возрастает с увеличением плотности, влажности и темп-ры. Изменение темп-ры Д. мало влияет на её размеры, особенно вдоль волокон (см. Тепловые свойства древесины).

Электрич. сопротивление сухой Д. весьма велико, но с повышением влажности до W_п.н резко снижается (см. Электрические свойства древесины). Электрич. прочность Д. не очень высока и для повышения сопротивления пробою её пропитывают минер. маслами. Диэлектрич. проницаемость Д. (см. Диэлектрические свойства древесины) в сухом состоянии находится в пределах 2— 5, с повышением влажности и темп-ры она увеличивается. Под действием механич. нагрузок в Д. возникают электрич. заряды. Носителем пьезо-электрич. свойств Д. является её ориентированный компонент — целлюлоза (см. Пьезоэлектрические свойства древесины).

Скорость распространения звука в Д. примерно такая же, как в стали, и в 15 раз больше, чем в воздухе. Акустич. сопротивление Д. составляет ок. 30 х 10⁵ Па х с/м (воздуха 429, стали 393 х 10⁵ ). Скорость затухания звуковых колебаний и значение внутр. трения Д. характеризует логарифмич. декремент колебаний, к-рый для распространённых пород составляет (17 — 38) х 10^-3 Нп. Звукопоглощение древесины сравнительно невелико, а звукопроницаемость весьма большая. Д. ели и нек-рых др. пород обладает высокой звукоизлучат. способностью и используется для изготовления дек музыкальных инструментов (см. Акустические свойства древесины).

При воздействии инфракрасного излучения на Д. значит. часть его энергии поглощается поверхностными зонами материала, вызывая нагревание. Инфракрасное излучение используется для сушки тонких сортиментов (шпон и т. п.). Видимое излучение проникает в Д. глубже, чем инфракрасное. По интенсивности отражённого от Д. светового потока можно судить о породе, качестве поверхности и наличии нек-рых пороков. Ультрафиолетовое излучение, воздействуя на Д., вызывает её свечение — люминесценцию древесины. Д. способна в разной мере ослаблять прошедшие через неё рентгеновские и ядерные излучения в зависимости от толщины, плотности и влажности сортимента (см. Рентгена- и гамма-дефектоскопия древесины, Дефектоскопия древесины, Облучение древесины).

Механические свойства Д. При воздействии на Д. усилий проявляются её механич. свойства, среди к-рых различают прочность древесины, деформативность, а также нек-рые технологич. и эксплуатационные свойства. Прочность определяют при кратковрем. и длит. испытаниях образцов Д. на сжатие, растяжение, изгиб, сдвиг и редко на кручение. Вследствие анизотропии древесины показатели её механич. свойств вдоль волокон значительно выше, чем поперёк волокон. Для наиболее распространённых отечеств, пород предел прочности Д. при сжатии вдоль волокон 39—64,5 МПа, при растяжении вдоль волокон — 91 —170 МПа, поперёк волокон в радиальном направлении — 4—13,3 МПа, а в тангенциальном — 2,8—9,2 МПа. Эти показатели получены при стандартных испытаниях малых чистых (без пороков) образцов Д. при влажности 12%. С увеличением влажности примерно до 30% пределы прочности при сжатии вдоль волокон снижаются в 2—2,5 раза, при растяжении в 1,3—1,5 раза. У крупных образцов (элементов конструкций и изделий) прочность меньше, чем у малых образцов Д.; наличие пороков древесины также уменьшает большинство показателей прочности. Деформативность Д. при кратковрем. и сравнительно небольших нагрузках характеризуется значениями упругих констант. Модуль упругости Д. вдоль волокон составляет 10—20 ГПа, а поперёк волокон — в 20—25 раз меньше. По удельной жёсткости Д. превосходит мн. полимеры.

Способность Д. деформироваться под нагрузкой во времени, характеризующая её реологич. свойства, резко повышается с увеличением содержания связанной воды и темп-ры. При снижении влажности или охлаждении Д., находящейся под нагрузкой, общая деформация не изменяется, но происходит «перерождение» значит. части упругих деформаций в остаточные. Прочность при длит, нагружениях снижается, и пределы долговрем. сопротивления Д. составляют 0,5—0,6 от пределов прочности при кратковрем. нагружениях. Многократное нагружение вызывает усталость древесины; предел выносливости при изгибе равен в ср. 0,2 от статич. предела прочности.

Для расчёта деревянных конструкций с учётом влияния изменчивости свойств Д., длительности нагружения, влажности, темп-ры, пороков и др. факторов используют не пределы прочности, полученные при стандартных испытаниях, а расчётные сопротивления — показатели, в несколько раз меньшие. Ударная вязкость древесины листв. пород примерно в 2 раза больше, чем хвойных. Наибольшая твёрдость древесины наблюдается при вдавливании индентора в торцовую поверхность образца, т. е. вдоль волокон. Между плотностью и твёрдостью Д. существует прямая связь.

Для улучшения комплекса физико-механич. и эксплуатационных свойств Д. её подвергают прессованию, вводят синтетич. полимеры и др. вещества (см. Модифицирование древесины). Для защиты от загнивания осуществляют консервирование древесины, а для придания огнестойкости — пропитку антипиренами.

(Перелыгин Л. М., Певцов А. X., Механические свойства и испытания древесины, М., 1934; Яцeнко-Хмелевский А. А., Основы и методы анатомических исследований древесины, М. — Л., 1954; Москалева В. Е., Строение древесины и ее изменение при физических и механических воздействиях, М., 1957; Вихров В. Е., Диагностические признаки древесины главнейших лесохозяйственных и лесопромышленных пород СССР, М-, 1959; Древесина. Показатели физико-механических свойств, М., 1962; Уголев Б. Н., Испытания древесины и древесных материалов, М., 1965; Леонтьев Н. Л., Техника испытаний древесины, М., 1970; Полубояринов О. И., Плотность древесины, М., 1976; Справочное руководство по древесине, пер. с англ., М., 1979; Химия древесины, пер. с фин., М., 1982.